功率放大器的設計與實現(xiàn)-設計應用

精品文檔-下載后可編輯功率放大器的設計與實現(xiàn)-設計應用功率放大器，簡稱“功放”。很多情況下主機的額定輸出功率不能勝任帶動整個音響系統(tǒng)的任務，這時就要在主機和播放設備之間加裝功率放大器來補充所需的功率缺口，而功率放大器在整個音響系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個系統(tǒng)能否提供良好的音質輸出。

隨著技術的快速發(fā)展，UHF頻段讀卡器在高速公路自動收費、停車場管理等領域得到廣泛應用。其優(yōu)勢就是讀卡距離遠。此處的卡為無源卡，需要接收讀卡器的發(fā)射功率作為能量才能正常工作，從而把卡號發(fā)給讀卡器。讀卡器的發(fā)射功率越大，讀卡的距離就越遠。然而決定讀卡器發(fā)射功率大小的一個直接因素就是發(fā)射部分功率放大器的放大能力。驅動級功放位于發(fā)射電路混頻器和末級功放之間。因為發(fā)射混頻器的輸出功率一般很小，所以驅動級的設計主要考慮在保持線性的條件下獲得盡可能高的增益。如何設計一個高增益的驅動級放大器就成為RFID整個功放系統(tǒng)設計的一個難點。用輔助軟件對所設計的功放進行理想情況下的驗證,用實際測試來檢驗仿真驗證的準確性并對仿真的誤差進行校正，從而使實際設計的功放滿足設計要求[3]。

1放大器的設計

1.1設計指標

頻率范圍：902MHz～928MHz；增益27dB；二次諧波≤-20dBc；輸入功率-8dBm；輸出功率19dBm；輸入、輸出駐波比≤2.0。

1.2器件的選擇

驅動級的設計主要考慮放大器增益，本設計選擇了TriQuint公司設計應用于RFID的兩階放大器AH103A。該晶體管工作頻段在60MHz～2700MHz，1dB壓縮點的輸出功率可達27dBm，在工作頻率為900MHz時增益高達29dB?？梢院芎玫貪M足設計要求。

1.3直流工作點的確定

在晶體管的技術參數(shù)中，半導體廠家通常會給出放大器的直流工作電壓和電流。本設計采用技術參數(shù)給定的階放大器（Vds=4.5V，Id=75m）、第二階放大器（Vds=9V，Id=200mA）直流工作點來設計直流偏置電路。

1.4直流偏置電路的設計

良好的直流偏置電路設計目標是選擇適當?shù)撵o態(tài)工作點，并在晶體管參數(shù)和溫度變化的范圍內，保持靜態(tài)工作點的恒定[4]。本功放采取先對直流供電并聯(lián)不同值的濾波電容用以濾除供電電壓中不同頻率的紋波，再通過射頻扼流圈把直流電壓饋入放大器。射頻扼流圈對直流相當于短路，對射頻信號相當于開路，防止射頻信號泄漏[5]。實際中用電感代替射頻扼流圈，能夠起到相同的作用。

1.5匹配網(wǎng)絡的設計

匹配參數(shù)變差往往會導致放大器的增益下降和輸入、輸出端的駐波比變差。驅動級功率放大器屬于A類功率放大器。A類功率放大器往往采用小信號放大器的設計方法，根據(jù)器件的S參數(shù)來設計[6]。

整個放大器的源阻抗和負載阻抗均按50Ω設計。首先，設計階放大器的輸入匹配,根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊給定的、工作頻率為1000MHz時階放大器的S11=-0.95dB∠-73.89參數(shù)，采用集總參數(shù)匹配中的L型匹配網(wǎng)絡利用Smith圓圖把S11匹配到圓圖的中心。L型匹配網(wǎng)絡中的串聯(lián)電容放在靠近信號源的那一端，既起到隔直作用，又起到匹配作用。其次，設計階放大器與第二階放大器的級間匹配。工作頻率為1000MHz時階放大器的S22=-20.14dB∠-30.37和第二階放大器S11=-10.87dB∠-146.69，采用集總參數(shù)匹配中的T型匹配網(wǎng)絡，利用Smith圓圖把階放大器的S22匹配到第二階放大器的S11。T型匹配網(wǎng)絡中的串聯(lián)電容直接放在階放大器的輸出端，既起到隔直作用，又起到匹配作用。，設計第二階放大器的輸出匹配。數(shù)據(jù)手冊給定，工作頻率為1000MHz時第二階放大器S22=-14.38dB∠-37.86參數(shù)。可以看出輸出阻抗已經(jīng)很接近50Ω，僅僅用一個串聯(lián)電容就可以把S22匹配到50Ω，該電容既起到匹配的作用又起到隔直的作用。整個放大器的匹配網(wǎng)絡都是根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊提供的工作頻率在1000MHz時的S參數(shù)來設計的，而放大器的實際工作頻率為915MHz。之后，再通過仿真優(yōu)化來消除匹配網(wǎng)絡設計所帶來的誤差。

2仿真優(yōu)化

優(yōu)化目標設在902MHz～928MHz頻段內，放大器的功率增益即dB（S（2，1））要達到28dB以上；輸入、輸出駐波比在1.5以下。優(yōu)化目標設定的比設計指標要求苛刻是為了保證實際做出來的功放放大器能可靠地滿足設計指標要求。仿真優(yōu)化的終結果如圖1、圖2所示。

圖1中的m1表示在902MHz～928MHz頻段內，放大器增益為29.336dB；圖2中的m2和m3分別表示在整個頻段內，放大器的輸入駐波比為1.42，放大器的輸出駐波比為1.454。由此可以看出，仿真結果完全滿足設計指標要求。

3版圖設計

采用AltiumDesignerWinter9.0原理圖繪制及PCB制板軟件繪制功率放大器的原理圖。繪制的電路原理圖如圖3所示。

根據(jù)繪制的原理圖進行PCB制板。本設計中采用的是FR-4板材，4層板，第二層和第三層分別為地和電源層，板厚1.7mm。射頻信號走線要遵循50?贅微帶線的設計原則。根據(jù)微帶線到第二層地的厚度為15mil，基材的介電常數(shù)為4.6，介質損耗為0.025，鋪銅厚度為1.4mil等參數(shù)，在中心工作頻率為915MHz條件下，利用PCB特性阻抗計算軟件計算得到微帶線的寬度為28mil，微帶線距旁邊地銅箔的距離為30mil。同時在微帶線兩側要盡量多的打上地孔，位置靠近微帶線但不超出地銅箔，意在利用多層銅箔通過通孔并聯(lián)獲得較低阻抗和較短的射頻信號電流傳輸路徑。

4實際測試

電路板加工完成后進行焊接時，一定要注意放大器底部的散熱片與PCB板的散熱片充分接觸好。如果散熱片沒有充分接觸好，會導致放大器的結溫過高，從而使得放大器不能正常工作。電路板焊接完成后，接下來要對放大器進行實際測試。

首先，采用惠普公司的HP8594E頻譜分析儀測量放大器的功率增益和二次諧波分量。測試前需給放大器提供5V和9V的直流偏置電壓，使放大器正常工作。放大器的輸入端輸入一個頻率為922.375MHz、功率為

-8dBm的已調波信號。由于頻譜分析儀的輸入功率為30dBm，為了防止頻譜儀的損壞，測試時頻譜儀的輸入端加一個24dB的衰減器。測試結果如圖4、圖5所示。

圖4為放大器的輸出功率測試結果。由圖中的標記可以推斷出放大器的實際輸出功率為20.62dBm。圖5為放大器的二次諧波分量測試結果。放大器的輸入頻率為922.375MHz，則放大器的二次諧波頻率為1.845GHz。圖中標記顯示在輸入功率為-8dBm，頻譜儀輸入端加24dB衰減的條件下，放大器的二次諧波輸出功率為-28.38dBm。二次諧波分量為-25dBc。

其次，采用惠普公司的HP8593C矢量網(wǎng)絡分析儀測量整個頻段內放大器的dB（S（2，1））。測試結果如圖6所示。由圖中的標記可以看出在整個工作頻段內放大器的功率增益都在28dB以上。

由上述測試結果可得放大器的輸出功率為20.62dBm，二次諧波分量為-25dBc，功率增益達到28dB，完全滿足設計指標所要求的輸出功率為19dB、增益為27dB、二次諧波≤-20dB的要求。